Technická fakulta ČZU Praha Autor:
Karel Sobotka
Semestr: letní 2009
Tříbodový závěs traktoru z nekovového materiálu Úkol Úkolem je vymodelovat v programu Autocad tříbodový závěs traktoru a zpočítat jeho hmotnost a nosnost při použití nekovového materiálu.
Popis Z našeho traktoru Zetor 5718 jsem si na papír načrtl a změřil všechny části tříbodového závěsu traktoru. Poté jsem pomocí programu Autocad vymodeloval v přesných rozměrech jednotlivé součásti a následně spojil do jednoho celku tvořící daný tříbodový závěs. Vymodelováním součásti v Autocadu si můžu zjistit jejich přesný objem, což bylo mým cílem. Dále jsem si pomocí programu Mathcad zpočítal hmotnost závěsu, když je vyrobený z oceli a nebo z nekovového materiálu. Zvolil jsem si plastový materiál s nejvyšší mezí pevností, který se dal na internetu nalézt. Vhodný plast jsem našel u firmy Tribon. Následně jsem si zpočítal nosnost závěsu vyrobeného z plastu při zachovaní stejných rozměrů. Také jsem uvedl další materiály, které mají nižší hustotu, tudíž nižší hmotnost, o stejné, ale i o několikrát větší mezi pevnosti, které by byly vhodné k výrobě závěsu z důvodu snížení hmotnosti a zachování rozměrů a dokonce i zvýšení nosnosti závěsu.
Foto tříbodového závěsu traktoru Zetor 5718
Zvolený plastový materiál technický špičkový plast KETRON PEEK CA 30 Tento materiál vyztužený 30% uhlíkových vláken nabízí lepší mechanické vlastnosti, vyšší mez pevnosti v tahu, vyšší modul pružnosti v tahu, vyšší odpor proti tečení a optimální odolnost proti opotřebení. Kromě toho poskytuje uhlíkové vlákno 3,5x vyšší tepelnou vodivost než nevyztužený plast, odvádí tak rychleji teplotu z povrchu součásti. základní vlastnosti Ketronu Peek CA 30: Rm = 130 MPa - mez pevnosti v tahu E = 7 700 MPa - modul pružnosti v tahu ρ = 1 410 kg/m3 - hustota
Kovový materiál např. ocel 11 500 zvolený k porovnání s nekovovými materiály OCEL ČSN 11 500 Konstrukční ocel. Strojní součásti namáhané staticky i dynamicky.Např. hřídele, ozubená kola, strojní součásti soustružené, čepy, kolíky, pouzdra, základové desky apod.. základní vlastnosti oceli: Rm = 470 - 610 MPa - mez pevnosti v tahu E = 200 000 MPa - modul pružnosti v tahu ρ = 7 850 kg/m3 - hustota
Další vhodné materiály k výrobě tříbodového závěsu z důvodu snížení hmotnosti a zachování rozměrů a dokonce i zvýšení nosnosti závěsu KEVLAR (Aramidy) Jedná se o výztuže na bázi aromatických polyamidů. Oproti skelným vláknům jsou aramidy mnohem lehčí, to znamená, že jejich pevnost v poměru k váze je několikanásobně větší. Mají rovněž dvojnásobně větší modul a vynikající schopnost absorbovat energii. Kompozity vyztužené aramidovými vlákny se proto používají pro dynamicky namáhané aplikace zejména v dopravních prostředcích. základní vlastnosti aramidových vláken: nízkomodulové vysokomodulové Rm = 2 850 MPa Rm = 3 500 MPa - mez pevnosti v tahu E = 70 GPa E = 130 GPa - modul pružnosti v tahu ρ = 1 400 kg/m3 ρ = 1 500 kg/m3 - hustota
KARBON (Uhlíková vlákna) Uhlíková vlákna se používají ve formě pramenců nebo jako tkaniny s různou vazbou buď jako celouhlíkové nebo hybridní v kombinaci s vlákny skleněnými resp. aramidovými. Vzhledem k jejich vysokému modulu a pevnosti a relativně nízké váze a také ale vysoké ceně se uhlíková vlákna používají na špičkové aplikace, převážně v kombinaci s epoxidovými pryskyřicemi jako matricí pro lodě, sportovní potřeby, závodní automobily, v letectví a kosmických aplikacích. základní vlastnosti uhlíkových vláken: vysokopevná vysokomodulové Rm = 3 000 - 6 000 MPa Rm = 3 000 - 4 500 MPa - mez pevnosti v tahu E = 250 - 300 GPa E = 400 - 700 GPa - modul pružnosti v tahu - hustota ρ = 1 700 kg/m3 ρ = 1 900 kg/m3
SUPERDURAL ČSN 42 03 Al Cu 4 Mg 1 Je lehký neželezný kov. Vytvrzovatelná slitina o velké pevnosti. Konstrukční materiál na letadla, kolejová vozidla, auta a jiné dopravní prostředky. základní vlastnosti superduralu: Rm = 200 - 450 MPa - mez pevnosti v tahu E = 72 000 MPa - modul pružnosti v tahu ρ = 2 800 kg/m3 - hustota
Výpočty Zjitěné objemy součástí tříbodového závěsu z Autocadu 3
objem zvedacích ramen:
V1 := 2015647.344mm
objem horních táhel:
V.2 := 4722227.756mm
objem spodních táhel:
V3 := 2664581.372mm
objem tažníků:
V4 := 841985.792mm
objem bočních táhel:
V5 := 324535.218mm
objem řetězů:
V6 := 414512.218mm
objem desek:
V7 := 689463.584mm
objem děrované lišty:
V8 := 1232523.914mm
objem regulátoru:
V9 := 326890.120mm
3
3
3 3 3 3 3
3
objem stavěcí lišty na třetí bod:
V10 := 800293.434mm
objem držáku:
V11 := 462330.279mm
objem třetího bodu:
V12 := 1160384.150mm
3 3 3
Hmotnost tříbodového závěsu z oceli hustota oceli:
ρo := 7850kg ⋅ m
−3
(
)
mo := V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6 + V7 + V8 + V9 + V10 + V 11 + V12 ⋅ ρo hmotnost tříbodového závěsu z oceli:
mo = 122.895 kg
Hmotnost tříbodového závěsu z plastu hustota technického špičkového plastu KETRON PEEK CA 30:
ρp := 1410kg ⋅ m
−3
(
)
mp := V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6 + V7 + V8 + V9 + V10 + V 11 + V12 ⋅ ρp hmotnost tříbodového závěsu z plastu:
mp = 22.074 kg
Výpočet nosnosti tříbodového závěsu z plastu na konci dolních táhel délka od konce dolního táhla k hornímu táhlu:
l := 450mm
šířka dolního táhla:
b := 20mm
výška dolního táhla:
h := 80mm
napětí dovolené v ohybu: gravitační zrychlení:
6
σDo := 50 ⋅ 10 Pa g := 9.81m ⋅ s
−2
2
pruřezový modul v ohybu:
ohybový moment:
W o :=
b⋅h 6
Mo σo := Wo
W o = 0.021 L
Mo := σDo ⋅ W o 3
Mo = 1.067 × 10 N ⋅ m
zvedací síla závěsu na konci dolních táhel:
Mo := F ⋅ l
F :=
Mo l 3
F = 2.37 × 10 N
nosnost tříbodového závěsu z plastu na konci dolních táhel:
F := m ⋅ g
m :=
F g
m = 241.628 kg
Závěr Nosnost tříbodového závěsu traktoru Zetor 5718, vyrobeného z oceli, udávaná výrobcem je 14 kN, tedy 1 400 kg a vypočtená hmotnost závěsu je 123 kg. Nosnost tříbodového závěsu se zachovanými rozměry, ale vyrobený z plastu má nosnost 240 kg a vypočtenou váhu 22 kg. Z toho nakonec vyplývá, že kdyby jsme chtěli udělat tříbodový závěs traktoru z plastu z důvodu snížení hmotnosti závěsu, tak se nám i sníží nosnost závěsu. Kdyby jsme chtěli zachovat stejnou nosnost plastového závěsu jakou má ocelový, museli bychom rozměry plastového závěsu udělat šestkrát větší, čímž se nám i zvedne hmotnost na stejnou úroveň s ocelovým, což není žádoucí. Důvodem v současnosti je, že jsem nenašel plast, který by měl alespoň přibližně stejné mechanické vlastnosti ( mez pevnosti v tahu a kluzu) jako ocel. Nejpevnější plasty co jsem našel, tak měli většinou asi tak čtyřikrát menší pevnost než ocel. Vhodnějšími materiály pro snížení hmotnosti a dokonce i zvýšení nosnosti tříbodového závěsu by byly materiály uvedené výšše. Jako například použítí kevlarových nebo uhlíkových vláken. Ty mají mnohonásobně několikrát větší pevnost než plast a i ocel, ale hustotu skoro shodnou s daným plastem, čímž je zaručena menší hmotnost než u oceli. To je předurčuje k použití na pevnější a lehčí součásti. Jejich cenna není zrovna nejnižší, ale dostupné jsou. Otázkou je, jestli má smysl vyrobit lehčí tříbodový závěs pro traktor, protože to je jen nepatrná část z váhy celého traktoru. V nynější době se, ale klade hlavně důraz na co nejmenší utužení půdy způsobené přejezdem těžkého traktoru po poli, z druhé strany se zas vyrábí traktory s velkými výkony motorů. Z tohodle důvodu se zase traktory dotěžují přídavnými závažími, aby byl daný výkon motoru traktoru přenesen na podložku s co nejmenší ztrátou a prokluzem kol. Takže těžko říci, jestli ano nebo ne. Nejlépe by se tyto tříbodové závěsy s využitím nekovových materiálů z důvodu snížení hmotnosti hodily například pro menší traktory do sadů a vinic a nebo především na stroje, které se používají na rýžových polích, kde je vyšší vlhkost půdy a cílem je vyrobit lehčí stroje, které by se moc nebořili a lehce se pohybovaly po rýžových polích.
Literatura, odkazy a zdroje adresy použitých www.tribon.cz webových stránek: www.altimabohemia.cz použitá literatura:
LEINVEBER,J., VÁVRA,P. * Strojnické tabulky * ÚVALY: ALBRA, 2003 * 894 s * ISBN 80-86490-74-2
